劉波1  戴聯(lián)雙2  趙曉利3  馬宏宇1  竇小亮1  金哲3  王林1

1.西安輸油氣分公司；2.中國石油管道公司；3.沈陽(yáng)龍昌管道檢測中心

 

摘要：采用氮氣驅動(dòng)低壓封存在役成品油管道內檢測存在眾多的難點(diǎn)和挑戰，國內外同行業(yè)類(lèi)似作業(yè)積累的經(jīng)驗比較少。本文通過(guò)對低壓封存在役成品油管道存在的殘留油品、大量氮氣排放可能造成的窒息、泄放氮氣可能造成噪聲污物、以及泄放氣體中攜帶油品污染環(huán)境等多種風(fēng)險因素進(jìn)行分析，以渭南汽油支線(xiàn)為例，提出了內檢測清管、反推方案、降噪設計等相應的風(fēng)險預控措施。結合管道內檢測運行所需要的背壓和運行速度要求，通過(guò)注氮量與清管器運行的理論計算與現場(chǎng)模擬對比分析等方法有效地解決了內檢測器運行所需要的環(huán)境，從而為獲取高質(zhì)量的內檢測數據提供了良好的基礎。

關(guān)鍵字：氮氣驅動(dòng)  低壓封存  成品油管道  管道內檢測  實(shí)踐 

 

1.前言

渭南汽油支線(xiàn)于2009年6月建成，2015年3月完成投產(chǎn)。由于該支線(xiàn)長(cháng)時(shí)間未投產(chǎn)和建成后管道試壓水掃線(xiàn)不徹底等因素，導致管道發(fā)生嚴重腐蝕。2014年投產(chǎn)前上水試壓出現無(wú)法穩壓，分段試壓找出兩處漏點(diǎn)，均為針孔腐蝕泄漏（如圖1所示）。隨后，對汽油支線(xiàn)進(jìn)行內檢測后發(fā)現管道腐蝕較為嚴重，對腐蝕嚴重的79根管子進(jìn)行了換管作業(yè)，雖然換管完成后進(jìn)行試壓合格，但是對于針孔類(lèi)腐蝕缺陷內檢測檢出率比較低，仍然存在泄漏的可能性，運營(yíng)風(fēng)險較高。且管道自投產(chǎn)以來(lái)，夏季由于溫度的上升平均每10天就要對管道進(jìn)行一次泄壓作業(yè)，頻繁的升壓、泄壓相當于對管道進(jìn)行重復試壓作業(yè)，加大了管材疲勞腐蝕的風(fēng)險，增加了原有腐蝕點(diǎn)失效的不確定因素。

 

圖1. 試壓時(shí)泄漏噴水照片（左）和切管后漏點(diǎn)的尺寸

2015年11月，綜合考慮市場(chǎng)需求變化和運營(yíng)者對于可能存在的針孔腐蝕缺陷的擔憂(yōu)，為了保障渭南汽油支線(xiàn)的運營(yíng)安全及管內油品的質(zhì)量，采用氮氣通球推油方式，將支線(xiàn)的油品推掃到下游高田油庫。推油完成后，采用0.2Mpa微正壓進(jìn)行了封存。2017年3月市場(chǎng)需求再次發(fā)生變化，支線(xiàn)需要重新啟輸，及時(shí)了解管道的內腐蝕情況并盡快處理內腐蝕嚴重的管段是十分必要的。同時(shí)，對于封存再啟輸管道，按照GB32167-2015《管道完整性管理規范》[1]和TSG D7003-2010《壓力管道定期檢驗規則-長(cháng)輸（油氣）管道》[2]等相關(guān)法規標準[3-5]的要求，對于工藝發(fā)生重大變更或者停輸再啟用的長(cháng)輸油氣管道，需要在啟用前進(jìn)行管道內檢測，開(kāi)展管道完整性評價(jià)工作。鑒于上述情況，渭南汽油支線(xiàn)首次采用了氮氣作為介質(zhì)，驅動(dòng)內檢測器進(jìn)行作業(yè)，全面識別管道本體可能存在的缺陷，為安全再啟輸提供保障。

2.面臨的風(fēng)險與挑戰

2.1殘存油氣

渭南汽油支線(xiàn)17.8km，壁厚5.6mm，管徑273mm，按照理論計算管容應為958.2m3。通球掃線(xiàn)共推出汽油953.9m3，推油率達到99.6%，沒(méi)有推出固體污物，只有污油約2kg。管道內尚殘存4.3m3汽油，存在發(fā)生與空氣接觸發(fā)生燃燒、爆炸的可能性。2014年在我國西南地區某在役天然氣管道曾發(fā)生過(guò)注入6km氮氣推動(dòng)管道內檢測器運行，在6km后采用空氣驅動(dòng)，因氣體之間的相互混合，再加上檢測器運行與管壁摩擦生熱，導致管道發(fā)生爆燃事故，造成檢測器嚴重損壞、管道爆炸開(kāi)裂等嚴重的后果。因此，渭南柴油支線(xiàn)雖然殘存的汽油量不大，但是一旦積聚在低點(diǎn)，達到一定的濃度，操作不當就極有可能在管道內發(fā)生爆燃等事故。

同時(shí)，如果4.3m3的汽油積聚在一起集中通過(guò)排放系統泄放，也有可能導致油氣積聚，達到爆炸極限，引起燃爆等事故。由于泄放的壓力較高，泄放的氮氣會(huì )夾雜污物從泄放管中排放出來(lái)，如果風(fēng)力較大的話(huà)會(huì )造成大范圍的飄散污染環(huán)境。

2.2氮氣窒息

為了保障清管器和檢測器的平穩運行，需要建立1.6Mpa的背壓。所需的氮氣用量可按下式進(jìn)行計算：

                    （1）

式中：Q儲代表管道標準大氣壓、常溫下的氮氣用量（m3）；P代表管道內氮氣的壓力（絕對）（Mpa）；P0代表標準大氣壓，為0.10325Mpa；T代表管道內氮氣的平均溫度（K），為283.15k；T0代表常溫下氮氣的平均溫度（K），為293.15k；Z代表氮氣的壓縮因子，為0.994；V為管道的容積（m3）。

按照施工方案要求，首先建立對渭南汽油支線(xiàn)管道進(jìn)行1.6Mpa的穩壓測試，隨后進(jìn)行3次清管器作業(yè)，最后再發(fā)送漏磁檢測器，合計需要的液氮量約125t（液氮在常溫下的汽化比為1:643）。所需的氮氣量非常大，直接排放在大氣中，容易造成小范圍內的氮氣積聚濃度過(guò)高，從而造成窒息的危險。

2.3升壓過(guò)程中的破裂泄漏

渭南汽油支線(xiàn)管道自完成推油掃線(xiàn)后，一直以來(lái)采用0.2Mpa微正壓進(jìn)行封存，雖然管道進(jìn)行了推油封存，但是管道內殘存的物質(zhì)除了汽油外，還有其他具有腐蝕性的雜質(zhì)（如水、硫化物、二氧化碳等）。因此無(wú)法判定管道是否存在較大的腐蝕缺陷，是否能夠承受1.6Mpa的內壓。在注氮升壓過(guò)程中有可能誘發(fā)管道泄漏，甚至開(kāi)裂的風(fēng)險。

2.4周邊環(huán)境的噪聲污染

渭南汽油支線(xiàn)的計量站為收球站，50m范圍內有一條交通比較頻繁的高速公路，在200m范圍內還有一個(gè)居民小區。如果以1.6Mpa的壓力在渭南計量站泄放氮氣，那么造成噪聲在300m外都將遠遠超過(guò)70db，給居民小區帶來(lái)嚴重的噪聲污染。GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠(chǎng)界環(huán)境噪聲排放標準》[6]里面要求：“工業(yè)企業(yè)廠(chǎng)區內4類(lèi)功能區的白天噪聲不能超過(guò)70db”，而直接泄放的噪聲遠遠超出了標準的要求。

2.5檢測器運行速度控制

為了獲取較好的內檢測數據，檢測器的運行需要保持平穩，并且速度還需要控制在一定的范圍。按照第四代漏磁檢測器的性能規格要求，檢測器需要在不低于1.5Mpa背壓下，保持2m/s~5m/s的速度運行，這樣能獲取最佳的檢測數據。如果超過(guò)這個(gè)條件范圍，都有可能導致檢測數據的降級，甚至會(huì )導致失敗。而此次采用注氮驅動(dòng)，對于注氮的平穩性和注氮速率都提出了較為嚴格的要求，再加上管道高程的變化，在檢測器速度控制方面存在運行過(guò)慢或者過(guò)快的風(fēng)險。

3.風(fēng)險控制措施

3.1氮氣注入與泄放因地制宜

注氮與氮氣泄放相比，造成的噪聲要小的多，就是一般發(fā)動(dòng)機的聲音，不會(huì )發(fā)出刺耳的蜂鳴聲。渭南汽油支線(xiàn)的渭南輸油站為發(fā)球站，位于比較空曠的地方；而渭南計量站為收球站，附近200m范圍內有居民小區，且50m范圍內還有一條交通頻繁的高速公路（如圖2所示）。為了降低噪聲給居民小區帶來(lái)的污染，調換了收發(fā)球站，采用反推的方式。將渭南輸油站變更為收球站，氮氣泄放系統安裝在該站；將渭南計量站變更為發(fā)球站，注氮設備在該站進(jìn)行注氮作業(yè)。

 

圖2. 渭南計量站（左）和渭南輸油站（右）區域布置圖

同時(shí)，為了降低噪聲污染還采取了三個(gè)方面的措施：一是在渭南計量站的注氮車(chē)盡量安排在西側，遠離居民小區；二是在渭南輸油站泄放系統中安裝消聲器；三是作業(yè)盡量安排在白天，避開(kāi)夜間作業(yè)。

另外，考慮收發(fā)球站變更還有一個(gè)原因。渭南汽油支線(xiàn)在1-15km 段地形相對平緩，而在15km-17km 段管線(xiàn)落差大，且最高點(diǎn)距渭南計量站僅1km 左右的距離（如圖3所示）。如果采用正推方案，在管道內檢測其翻過(guò)高點(diǎn)后將會(huì )下坡后很快進(jìn)入渭南分輸計量站，短時(shí)間內難以調整、控制內檢測器以平穩運行速度進(jìn)入計量站收球筒，速度調整不及時(shí)存在內檢測器沖撞收球筒快開(kāi)盲板的風(fēng)險。如果采用反推，管道內檢測器翻過(guò)高點(diǎn)后將會(huì )在一段相對較長(cháng)的平緩地段運行，在此段運行有相對充足時(shí)間對內檢測器運行速度進(jìn)行調整。

 

圖3.渭南汽油支線(xiàn)沿渭南輸油站至渭南計量站高程變化趨勢

3.2分階段升壓與穩壓

為了避免升壓過(guò)快可能帶來(lái)的管道泄漏或者破裂，采取了三階段升壓的措施。首先從0.2Mpa升至0.5Mpa，并采用注氮車(chē)最小的液氮排量100L/min，穩壓20min；通過(guò)壓力監控系統，如存在0.01Mpa及以上的壓降，則全線(xiàn)進(jìn)行排查，查找壓降的原因，若沒(méi)有出現壓降，則繼續升壓至1.0Mpa，采用注氮車(chē)二擋的液氮排量200L/min，穩壓20minh；通過(guò)壓力監控系統，如存在0.01Mpa及以上的壓降，則全線(xiàn)進(jìn)行排查，查找壓降的原因，若沒(méi)有出現壓降，則繼續升壓至1.6Mpa，采用注氮車(chē)三擋的液氮排量300L/min，穩壓8.0h（渭南計量站升壓與穩壓壓力監控如圖4所示）。

 

圖4. 渭南計量站升壓與穩壓壓力監控

分階段穩壓測試都通過(guò)后，則進(jìn)入下一階段發(fā)送清管器和漏磁檢測器的作業(yè)。為了保障整個(gè)過(guò)程的有序、快速開(kāi)展，在升壓過(guò)程中，實(shí)施監控壓力的變化，同時(shí)巡護人員和維搶修人員處于待命狀態(tài)，以便及時(shí)響應可能出現的各種情況。

3.3 理論計算結合清管器運行模擬

為了保障清管器能順利運行，在前3輪清管器運行過(guò)程中，采用式（2）進(jìn)行理論計算，并結合清管器跟蹤時(shí)間來(lái)計算區間運行的平均速度，兩者綜合對比分析，來(lái)進(jìn)一步調整注氮車(chē)的排量，降低因高程變化影響檢測器的平穩運行。

                       （2）

式中：代表流速，代表流量，代表輸送壓力（，代表管徑。

在清管器運行期間，渭南汽油支線(xiàn)共設置了8個(gè)跟蹤點(diǎn)，當清管器通過(guò)相應跟蹤點(diǎn)位置的時(shí)候，跟蹤人員記錄清管器通過(guò)的時(shí)間，相關(guān)人員計算通過(guò)區間的平均速度。清管器到達收球筒后，通過(guò)管道里程與清管器運行的總時(shí)間，可以計算得出運行的平均速度。通過(guò)實(shí)際運行的速度和根據注氮車(chē)排量計算的理論速度對比分析，可以?xún)?yōu)化調整注氮車(chē)隨時(shí)間變化的注氮量，從而為管道內檢測器運行速度控制提供參考數據。

4.理論實(shí)踐與改進(jìn)

4.1氮氣注入速率與運行速度

此次的清管器設計上未開(kāi)設泄流孔，密封皮碗的過(guò)盈量3%~5%，因此在運行過(guò)程中的密封性較好，通過(guò)理論計算的注氮量與清管器實(shí)際運行所消耗的液氮量比較相近，誤差量不大于10%。

項目	理論計算量 （m3）	實(shí)際耗損量 （m3）	誤差量 （%）	備注
第一次清管器運行	25	26	4%	作業(yè)氣溫較高存在一定的熱車(chē)損耗，熱車(chē)損耗一般在2%左右。
第二次清管器運行	25	26.5	6%
第三次清管器運行	25	27	8%

漏磁檢測器為了保證自身的均勻磨損和在管道內運行的時(shí)候平穩旋轉，以及對前端可能堆積的雜質(zhì)的沖刷，開(kāi)設了4個(gè)φ10的泄流孔，與清管器同樣工況下，運行速度為清管器的0.87倍，與理論計算也是非常吻合（注：基于GE PII檢測公司內部統計數據，一般漏磁檢測器運行的速度為介質(zhì)流速的0.85~0.9倍）。

為了保證設備運行的平穩性，采用液氮氣化的方式進(jìn)行，這樣，可以保持較高的氮氣壓力，適用于大管徑、壓力較大且需要氮氣量較大的管道[7]。

4.2放空系統改進(jìn)

放空系統的設計與安裝是實(shí)施該項目的關(guān)鍵，既要保障泄放量滿(mǎn)足設備運行的要求，還需要保障泄放的噪聲在可接受的范圍內，并且泄放的含油氣雜質(zhì)在可控制的范圍內。

為了滿(mǎn)足設備運行的泄放量，原設計了一套調節閥和壓力表，另外設置了一套自動(dòng)泄放閥，將自動(dòng)泄放閥的壓力標定為1.6Mpa，但是在第一次運行清管器過(guò)程中，泄放閥由于頻繁動(dòng)作發(fā)生故障，從而導致了泄放管道的振動(dòng)，隨后引起了整個(gè)渭南輸油站內的工藝管道的共振�；�于此，拆除了自動(dòng)泄放閥，在泄放系統中配置了兩套調節閥和壓力表，為了提高可靠性，這兩套調節閥和壓力表采用串聯(lián)的方式，泄放壓力的調節采用人工操作，操作人員安排兩人，一人操作一人監護。同時(shí)，在泄放系統的中另一個(gè)改進(jìn)就是在采用鋼管與法蘭連接的系統中增加至少一節的軟連接，避免共振的情況的發(fā)生，同時(shí)也是將泄放系統與工藝管道進(jìn)行電氣隔離。

針對泄放噪聲，在放空系統中采用了“Y”型擴大泄放，并在頂端安裝消聲器的方式，降低噪聲。通過(guò)現場(chǎng)測試，在100m外的泄放噪聲達到了可接受的范圍，避免了噪聲污染的發(fā)生。

在放空系統的頂端設置了防擴散網(wǎng)棚。該網(wǎng)棚既能有效地收集從消聲器里面噴射出來(lái)的含油氣雜質(zhì)，還能保障氮氣的順利排放。在地方還安裝了兩臺防爆軸流風(fēng)機，根據風(fēng)向實(shí)時(shí)調整吹掃的方向，保障作業(yè)人員的安全。

5.總結與展望

渭南汽油支線(xiàn)采用氮氣驅動(dòng)管道內檢測器運行的方式，通過(guò)對殘存油氣、噪聲污染、以及作業(yè)過(guò)程中可能發(fā)生的泄漏或破裂等風(fēng)險識別，采取了針對性的風(fēng)險預控措施。結合對作業(yè)過(guò)程中氮氣注入量、清管器和檢測器運行速度、以及泄放控制等各種數據的積累和分析，為以后針對封存在在役油氣管道的再啟用開(kāi)展管道內檢測工作提供了有力的決策支持。

采用氮氣驅動(dòng)低壓封存在役成品油管道內檢測還需要不斷的積累經(jīng)驗和數據，并根據現場(chǎng)情況不斷改進(jìn)放空系統、氮氣注入系統、以及內檢測器運行狀態(tài)控制等，為管道內檢測提供最佳的運行環(huán)境，為全面識別管道可能存在的缺陷，保障管道安全運行創(chuàng )造更好的條件。

參考文獻：

[1] GB32167-2015《管道完整性管理規范》

[2] TSG D7003-2010《壓力管道定期檢驗規則-長(cháng)輸（油氣）管道》

[3] 《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》（主席令 第13號），2014年12月1日起施行。

[4] 《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》（主席令 第30號），2010年10月1日起施行。

[5] 《中華人民共和國特種設備安全法》（主席令 第4號），2014年1月1日起施行.

[6] GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠(chǎng)界環(huán)境噪聲排放標準》

[7] 佟德斌，李博，孔繁宇. 氮氣清掃技術(shù)在管道封存中的應用[J].管道技術(shù)與設備，2014（4）：55-57.

作者：劉波，男，1971年生，1993年畢業(yè)于西安石油大學(xué)焊接工藝與設備專(zhuān)業(yè)，現任職于中國石油天然氣股份有限公司管道西安輸油氣分公司副經(jīng)理。

《管道保護》2017年第5期（總第36期）